Computing på helt ny måde: Banebrydende 3D-chip kan både beregne, lagre og opsamle data

En ny form for computerchip har potentiale til at kunne fungere som et kamera med indbygget kunstig intelligens eller som en robot, der svømmer gennem blodårerne med medicin, eller som en kunstig nethinde.

Det skriver Sherief Reda fra Brown University, Rhode Island, USA i en kommentar til en helt ny form for 3D-chip, som Max M. Shulaker sammen med en række kolleger fra Stanford University i Californien præsenterer i en videnskabelig artikel ligeledes i Nature.

Som for alle forskningsresultater er der et stykke vej fra prototype til eventuelle kommercielle anvendelser, men 3D-chippen er på mange måder helt banebrydende i forhold til, hvordan man i dag fremstiller chips og de begrænsninger, der følger heraf.

Flaskehalse med konventionel teknologi

Efterhånden som halvlederteknologien er blevet bedre og bedre, som det er beskrevet i den berømte Moores lov, så er forbrugerelektronik og computere i stand til at håndtere større og større datamængder og lave hurtigere og hurtigere beregninger til glæde og gavn for brugerne.

Flaskehalsen er nu i mange sammenhænge de store datamængder, der skal udveksles mellem cpu’er til beregning og memorychip til lagring af rådata og mellemresultater.

I et forsøg på at samle tingene i en enhed har forskere og ingeniører i mange år arbejdet på at lave 3D-chip, hvor man har flere lag oven på hinanden til at varetage de forskellige opgaver.

Men rent fremstillingsmæssigt er det ikke let. De første 3D-udgaver bestod simpelthen af lag, der var produceret uafhængigt af hinanden og derefter stablet og forsynet med interne forbindelser.

Inden for de senere år har man dog arbejdet med monolitisk integration, hvor lagene kan bygges direkte oven på hinanden. Det har dog stillet krav om nye metoder og chips, der kan fremstilles ved forholdsvist lave temperaturer, dvs. under 400 grader celsius.

Som Sherief Reda redegør for, tager Shulaker og Co. udgangspunkt i de fremskridt, der sker inden for monolitisk integration med brug af bl.a. resistive random-access memory (RRAM).

Men de tager også skridtet videre og løser nogle af de helt fundamentale problemer omkring energieffektivitet, skalering og båndbredde.

Det gør de bl.a. ved at benytte kulstofnanorør felteffekttransistorer (CNFET).

Chippen består af fire lag

Prototypechippen består af fire lag.

Det øverste lag indeholder mere end en million CNFET’er, der fungerer som sensorer, idet transistorernes egenskaber afhænger af den gas, som er til stede.

Laget nedenunder indeholder RRAM til at lagre signalerne fra CNFET-sensorerne.

Det tredje lag udfører beregninger med kredsløb, som også indeholder CNFET’er.

Og endelig består det nederste lag af konventionelle siliciumbaserede kredsløb, der bl.a. tager sig af af styre data korrekt rundt i chippen.

Teknologien skal kunne miniaturiseres

Sherief Reda er tydeligvis meget begejstret i sin kommentar, men undlader ikke at bemærke, at der naturligvis er en lang række ting og forhold, der kan og skal forbedres, hvis teknologien skal have en kommerciel fremtid.

Prototypechippen er fremstillet med en litografisk teknologi, der kaldes 1 mikrometer teknologi - som var den teknologi som var state-of-the art i midten af 1980'eren. I dag bruger man 10 nanometer teknologien.

Tallet dækker over, hvor småt man fremstiller de enkelte dele i en transistor, og er dermed udslagsgivende for, hvor mange transistorer man kan have på et givet areal. Det var den udvikling, som Gordon Moore i 1965 forudsagde ville fordobles ca. hver 18. måned og som overraskende nok stadig holder stort set som forudsagt for mere end 50 år siden.

Der udestår stadig at bevise, at den nye teknologi kan miniaturiseres på samme vis, og så er der naturligvis ikke mindst spørgsmålet om yield, som er den andel af masseproducerede chips, der virker efter hensigten.

Med Shulaker og Co. har bestemt vist en vej til at frigøre potentialet for monolitisk 3D-integration, mener Sherief Reda.

Vi får se, om han har ret. Men som Max Shulaker skriver i den videnskabelige artikel, så er det blevet sværere og sværere at holde tempoet oppe i udvikling af computerchip, fordi den konventionelle teknik nu møder en række fysiske grænser.

»Der er derfor behov for udover-silicium-teknologier,« skriver forskere fra Stanford University. Nu er de i hvert fald selv kommet med et alternativ med perspektiver.